1. 引言
互联网协议（IP）是现代计算机网络中最重要的协议之一。 它为设备分配逻辑地址，使它们能够相互通信。多年来，IP 发展出了多个版本，如 IPv4、IPv6 和 IPsec。然而由于早期的广泛应用，IPv4 仍然是目前最主流的版本。
IPv4 的一个重要特性是能够将一个大网络划分为多个更小的子网（Subnets）。 子网是一种逻辑划分，目的是通过减少网络流量、提高管理效率来优化网络性能。
在本文中，我们将深入探讨 IPv4 的子网机制。首先我们会简要回顾 IPv4 的基本概念，特别是 IPv4 地址结构。接着会详细讲解子网的工作原理、如何计算子网的地址范围，并介绍 IPv4 地址分类与 CIDR 之间的关系。
2. IPv4 简要回顾
IP 是 OSI 模型中第三层（网络层）的核心协议，也是 TCP/IP 模型中第二层的重要组成部分。IPv4 是目前互联网中最广泛使用的 IP 版本。
简而言之，IPv4 通过 IPv4 地址标识通信的源和目标，网络核心根据这些地址进行路由转发。IPv4 地址并不一定只代表一个设备，具体取决于所使用的寻址方式：单播（一对一）、组播（一对多）或广播（一对所有）。
一个 IPv4 地址由四个字节组成（共 32 位），可以静态或动态分配。因此，IPv4 总共支持约 43 亿个地址。 除了源和目标地址之外，IPv4 还需要一些额外信息来完成通信，这些信息与地址一起构成了 IPv4 的头部。IPv4 头部至少包含 20 字节，包括版本、长度、分片偏移、生存时间（TTL）、校验和、地址等字段。
3. IPv4 子网
子网是一种高效的 IP 地址分配机制，可以避免地址浪费，并提升网络管理能力。 换句话说，子网将 IPv4 的地址空间进行细分，以满足不同的地址需求。不过，现代子网概念是在 1993 年 RFC 1517 提出的 CIDR（无类别域间路由）之后才广泛使用的。在此之前，IP 地址的分配基于 A、B、C、D、E 五类地址。
IPv4 的地址分类将地址空间划分为固定的三类子网：
- A 类地址：第一个字节表示网络地址，后三个字节表示主机地址。
- B 类地址：前两个字节表示网络地址，后两个字节表示主机地址。
- C 类地址：前三个字节表示网络地址，最后一个字节表示主机地址。
- D 类地址：用于组播（Multicast）。
- E 类地址：保留用于研究目的。
下表总结了 IPv4 地址分类的关键信息：
| 类别 | 网络标识 | 主机标识 | 网络数量 | 每个网络的主机数 | 地址范围 |
|---|---|---|---|---|---|
| A | 第1个字节 | 第2~4个字节 | 126 | 16,777,214 | 1.0.0.0 ~ 127.0.0.0 |
| B | 第1~2个字节 | 第3~4个字节 | 16,382 | 65,534 | 128.0.0.0 ~ 191.255.0.0 |
| C | 第1~3个字节 | 第4个字节 | 2,097,150 | 254 | 192.0.0.0 ~ 223.255.255.0 |
| D | 组播地址 | 组播地址 | - | - | 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 |
| E | 研究用途 | 研究用途 | - | - | 240.0.0.0 ~ 255.255.255.255 |
CIDR 出现后，虽然地址分类仍然被引用，但地址划分变得更加灵活和高效。
4. 无类别域间路由（CIDR）
CIDR 是 IETF 提出的一种策略，旨在应对 B 类地址的快速耗尽以及路由表的膨胀问题。 在 CIDR 出现之前，如果一个公司需要几千个 IP 地址，通常只能申请一个 B 类网络（包含 65,534 个地址），这往往会造成大量浪费。而 CIDR 的引入允许将一个 B 类网络划分为多个更小的子网，从而更精确地满足不同组织的需求。
CIDR 使用可变长子网掩码（VLSM）策略，其最常见的表示方式是使用斜杠（/）后接一个数字（如 /24），这个数字表示地址中用于网络标识的位数。
举个例子：
/8表示前 8 位（即第一个字节）用于网络标识，剩下 24 位用于主机。/16表示前两个字节用于网络标识，剩下两个字节用于主机。/24表示前三个字节用于网络标识，最后一个字节用于主机。
CIDR 的子网掩码可以用二进制表示，其中前 n 位为 1（网络部分），后 (32-n) 位为 0（主机部分）。
下图展示了 CIDR 表示法的一个示例：
需要注意的是，传统的地址分类也可以映射到 CIDR 表示法：
- A 类地址等价于
/8 - B 类地址等价于
/16 - C 类地址等价于
/24 - D 类和 E 类地址则通常使用不同的子网掩码表示
5. 总结
本文我们学习了 IPv4 网络中子网的基本概念和作用。 首先我们回顾了 IPv4 的基本结构和特点，接着深入探讨了子网的工作原理、地址分类以及 CIDR 的引入和使用方式。
可以总结如下：
✅ 子网是 IPv4 网络管理中不可或缺的工具
✅ CIDR 使地址分配更加灵活、高效
✅ 传统地址分类仍然具有参考价值，但 CIDR 更适合现代网络需求
通过子网划分，IPv4 地址空间得以更高效地利用，从而更好地支持现代互联网的运行。